CN105651484B - 一种自适应雨水管网监测方法及系统 - Google Patents

一种自适应雨水管网监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自适应雨水管网监测方法及系统，所述方法包括：利用液位计采集雨水管网的关键节点处的实测液位值，并利用雨量计采集降雨量；将所述液位计采集到的实测液位值以及所述雨量计采集到的降雨量输入雨水水动力模型，得出所述关键节点处的计算液位值；将所述实测液位值与所述计算液位值进行比较，当所述实测液位值与所述计算液位值不一致时，修正所述雨水水动力模型中的参数，直至所述实测液位值与所述计算液位值相一致为止；采用修正后的雨水水动力模型得出所述雨水管网中任意节点的液位值。本发明能够对整个雨水管网的运行情况进行实时监测，提高了雨水管网的监测能力和智能化水平。

Description

一种自适应雨水管网监测方法及系统
技术领域
本发明涉及雨水管网运行状态监测领域，尤其涉及一种自适应雨水管网监测方法及系统。
背景技术
城市雨水管网是抵御城市内涝的直接方式，其安全稳定运行是保障城市正常运转的前提。然而，我国乃至世界范围内，对于城市雨水管网运行监测手段十分有限，对于城市内涝的发生和解决，往往主要依靠人员巡视的手段，监测雨水管网什么地方出现溢水情况，然后再采取措施，没有一个有效的针对整个雨水管网的监测方法。因此，准确高效的雨水管网监测方法是迫切需要的。
目前，还未出现一种特别有效的针对整个雨水管网的监测方法，已有监测手段往往是通过液位计监测某一段雨水管段的情况，无法对整个雨水管网各个管段的情况进行实时监控。而现有的一些雨水水动力模型，停留在仿真计算阶段，并没有和液位计监测手段有效结合，不具备自适应调整能力，也未实际应用于雨水管网的监测。因此，当城市发生暴雨时，往往是雨水管网发生大范围溢水后才发现并采取相应措施，从而导致人员和财产损失。
要解决当前雨水管网实时监测的问题，核心问题是如何实时的对整个雨水管网的任意管段的液位数据进行监控，因此就需要引入水动力模型。传统的水动力模型，主要是对水力和水文进行仿真模拟，并未针对雨水管网进行模拟计算，而是将雨水管网排水量进行概化估算。另外一些针对排水管网的水动力模型，也并不是针对雨水管网监测的问题建立的，没有将具有实时采集功能的超声液位计引入到计算模拟中来，更不具备自适应修正能力。因此，传统的雨水监测方法和水动力模型都无法根本解决对于整个雨水管网实时监测的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应雨水管网监测方法及系统，解决现有技术无法对雨水管网的整体运行情况进行实时监测的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种自适应雨水管网监测方法，包括以下步骤：
利用液位计采集雨水管网的关键节点处的实测液位值，并利用雨量计采集降雨量；
将所述液位计采集到的实测液位值以及所述雨量计采集到的降雨量输入雨水水动力模型，得出所述关键节点处的计算液位值；
将所述实测液位值与所述计算液位值进行比较，当所述实测液位值与所述计算液位值不一致时，修正所述雨水水动力模型中的参数，直至所述实测液位值与所述计算液位值相一致为止；
采用修正后的雨水水动力模型得出所述雨水管网中任意节点的液位值。
优选地，所述关键节点包括：所述雨水管网中的各个排水分支、管线交叉的位置、出水口位置、明渠以及河流处，所述雨量计布设于所述雨水管网的中间区域的楼顶处。
优选地，该方法还包括：
利用基于地理信息系统的三维展示平台对采用修正后的雨水水动力模型得出的所述雨水管网中任意节点的液位值进行展示。
优选地，所述雨水水动力模型根据降雨强度公式、产流模型公式、汇流公式和雨水管道输移公式进行建立。
优选地，所述降雨强度公式通过以下步骤进行建立：
统计待监测的雨水管网所在区域的历史降雨资料，其中雨样的选取采用年超大值法；
采用指数分布法统计该区域的降雨频率分布曲线；
根据所述历史降雨资料和所述降雨频率分布曲线得出该区域各个季节的降雨强度公式。
优选地，所述产流模型公式用于计算产流量R，R＝P-S-F，其中，P为理论降雨量，S为初损量，F为入渗量；
理论降雨量P通过所述雨量计采集得到的降雨量结合所述降雨强度公式得出；
初损量S通过以下公式进行计算：
S＝Sz+Sj+Sw
其中，Sz为相应季节该区域的雨水蒸发量，Sj为植物截留损失量，Sw为地表填洼损失量；
入渗量F根据土壤饱和导水率、有效土壤吸力、初始入渗率和稳定入渗率来确定。
优选地，所述汇流公式用于确定地表净流量，所述地表净流量通过以下两个公式联立得到：
其中，V为地表集水量，h为水深，t为时间，A为地表面积，i为净雨强度，Q为流量，W为流域宽度，n为地表粗糙系数，hp为地面蓄水深，S0为流域坡度。
优选地，所述雨水管道输移公式包括以下两个公式：
其中，Q为流量，As为过水断面面积，v为流速，h为水深，t为时间，x为距离，Sf为摩阻坡度，S0为流域坡度，qt为单位长度旁侧入流量，g为重力加速度；
当所述实测液位值与所述计算液位值不一致时，通过修改摩阻坡度Sf来修正所述雨水水动力模型，直至所述实测液位值与所述计算液位值相一致为止。
一种自适应雨水管网监测系统，包括：
多个液位计，分别设置在雨水管网的关键节点处，用于采集所述关键节点处的实测液位值；
雨量计，用于采集降雨量；
雨水水动力模型分析模块，用于将所述液位计采集到的实测液位值以及所述雨量计采集到的降雨量输入雨水水动力模型，得出所述关键节点处的计算液位值，并将所述实测液位值与所述计算液位值进行比较，当所述实测液位值与所述计算液位值不一致时，修正所述雨水水动力模型中的参数，直至所述实测液位值与所述计算液位值相一致为止。
优选地，该系统还包括基于地理信息系统的三维展示平台，所述三维展示平台用于展示采用修正后的雨水水动力模型得出的所述雨水管网中任意节点的液位值。
本发明具有以下有益效果：
本发明中的雨水水动力模型结合了雨量计和液位计的实时测量结果，根据实际采集到的关键节点处的液位值对雨水水动力模型进行自适应修正，利用本发明方法能够对整个雨水管网的运行情况进行实时监测，提高了雨水管网的监测能力和智能化水平。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所提供的自适应雨水管网监测方法的流程图；
图2是本发明实施例所提供的自适应雨水管网监测系统的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明首先提供了一种自适应雨水管网监测方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
利用液位计采集雨水管网的关键节点处的实测液位值，并利用雨量计采集降雨量；
将所述液位计采集到的实测液位值以及所述雨量计采集到的降雨量输入雨水水动力模型，得出所述关键节点处的计算液位值；
将所述实测液位值与所述计算液位值进行比较，当所述实测液位值与所述计算液位值不一致时，修正所述雨水水动力模型中的参数，直至所述实测液位值与所述计算液位值相一致为止；
采用修正后的雨水水动力模型得出所述雨水管网中任意节点的液位值。
可以看出，本发明的技术原理是：将雨量计采集到的降雨量和液位计采集到的管网关键节点的液位值作为自变量，将自变量传入雨水管网水动力模型中，计算出整个管网任意管段当前的液位值。若水动力模型得出的计算液位值与超声波液位计采集的实测液位值差异较大，则自动修正模型中的相关系数(主要是摩阻系数等)，使计算模型的计算值与实测值相一致，因此本发明提出的雨水管网监测方法具备自适应能力。
利用本发明方法能够使监测人员对雨水管网的整个运行情况进行实时监测，即能够对整个雨水管网任意节点的液位值进行监测，从而大幅提高雨水管网的监测效率，并且能够克服随着时间推移管道排水摩阻系数发生变化的情况。本发明方法不但适用于城市雨水管网的液位监测，还适用于雨污合流的排水管网的液位监测。
优选地，本发明中布设液位计的关键节点包括：雨水管网中的各个排水分支、管线交叉的位置、出水口位置、明渠以及河流处。此外，所述雨量计优选布设于所述雨水管网的中间区域或者楼顶处。
通常，所述雨量计监测得到的实时降雨量和所述液位计采集到的实时液位值是作为雨水水动力模型计算的初始值，用于计算区域降雨强度和产流量的输入值等数值。
其中，雨量计采用翻斗式计数功能，用于监测降雨量，并将降雨量数值通过无线方式传输到后台计算模型的数据库中。雨量计布设点的确定原则为：布设于不被遮挡的位置，一般在高楼的楼顶，最好位于整个雨水管网区域的中间位置。
所述液位计可以采用基于超声波的液位计，以超声波反射信号为依据进行管线内液位监测，将采集到的液位值通过无线方式传输到后台计算模型的数据库中，用于修正水动力模型的管道摩阻参数。超声波液位计的布设原则为：均匀分布于雨水管网、应该涵盖雨水管网的各条排水分支、优先布设于管线交叉位置和出水口位置，在明渠和河流处也要布置液位计。液位计应安装在雨水主管道(直径500mm以上)的检修井下。
进一步地，本发明方法还包括：
利用基于地理信息系统的三维展示平台对采用修正后的雨水水动力模型得出的所述雨水管网中任意节点的液位值进行展示。
利用基于地理信息系统(GIS)的三维展示平台，通过以不同颜色标示当前管网任意管段的液位情况，并且当雨水管网上的节点发生溢水时，可以计算出溢水节点的溢水量同时展示溢水的三维情景，以高亮、闪烁显示超出液位警戒值的管段，方便监视人员查看雨水管网的实时状态。当雨水管线出现溢水或接近警戒液位时，可利用三维地理信息系统提示监测人员，便于监测人员定位溢水点位置，从而去溢水区域进行相应处置，进而减少由于城市暴雨产生的人员和财产损失，提高城市雨水管网整体管理水平。
具体地，所述雨水水动力模型根据降雨强度公式、产流模型公式、汇流公式和雨水管道输移公式进行建立。将雨水管网分布、地理高程信息即数字高程模型(DEM)、集水区划分作为模型建立的初始条件，并获取模型建立所需的各个公式的参数，包括地表硬化率、下渗速率、地表粗糙系数、管道粗糙系数、管道的管径、管道坡度信息等作为水动力计算模型参数。另外，将雨量计采集到的降雨量和超声液位计采集到的管网关键节点的实测液位值作为自变量，管道表面的摩阻系数作为因变量，根据实际情况自适应修正计算模型，最终通过雨水水动力模型计算出雨水管网任意管段的液位值，从而实现对整个雨水管网的液位情况进行实时监测，并可利用基于管网地理信息系统(GIS)的三维展示平台展示出区域的管网液位情况，对溢水区域或将要溢水区域重点监测。
进一步地，所述降雨强度公式通过以下步骤进行建立：
统计待监测的雨水管网所在区域的历史降雨资料，其中雨样的选取采用年超大值法；
采用指数分布法统计该区域的降雨频率分布曲线；
根据所述历史降雨资料和所述降雨频率分布曲线得出该区域各个季节的降雨强度公式。
进一步地，所述产流模型公式用于计算产流量R，R＝P-S-F，其中，P为理论降雨量，S为初损量，F为入渗量；
理论降雨量P通过所述雨量计采集得到的降雨量结合所述降雨强度公式得出；
初损量S通过以下公式进行计算：
S＝Sz+Sj+Sw
其中，Sz为相应季节该区域的雨水蒸发量，Sj为植物截留损失量，Sw为地表填洼损失量；
入渗量F根据土壤饱和导水率、有效土壤吸力、初始入渗率和稳定入渗率来确定。
例如，t时刻的下渗速率f(t)可以通过公式f(t)＝fc+(f0-fc)e-kt进行计算，其中f0为最大下渗速率，fc为最小下渗速率，k为衰减常数。
进一步地，所述汇流公式用于确定地表净流量，所述地表净流量通过以下两个公式联立得到：
其中，V为地表集水量，h为水深，t为时间，A为地表面积，i为净雨强度，Q为流量，W为流域宽度，n为地表粗糙系数，hp为地面蓄水深，S0为流域坡度。
地表净流量所应用的连续性方程是通过地理高程信息、地表粗糙系数等来拟合确定的。地表上的雨水汇流后，流入各个管线的水流量是通过集水区的划分来确定的。地表净流流入城市雨水管网前，需要对区域划分集水网格，即集水区。通过集水区来确定地表净流从哪里流入雨水管网。集水区的划分是依据地理高程情况和雨水管网的排水井分布，即雨水管网各排水井空间分布的拓扑结构图来划分的，通过建立区域各集水多边形实现对整个降雨区域的集水区划分。
雨水管道输移公式是通过管网拓扑结构、管道粗糙系数、管网埋深信息、管线材质、管线直径等信息来拟合确定的。优选地，所述雨水管道输移公式包括以下两个公式：
其中，Q为流量，As为过水断面面积，v为流速，h为水深，t为时间，x为距离，Sf为摩阻坡度，S0为流域坡度，qt为单位长度旁侧入流量，g为重力加速度；
当所述实测液位值与所述计算液位值不一致时，通过修改摩阻坡度Sf来修正所述雨水水动力模型，直至所述实测液位值与所述计算液位值相一致为止。
本发明的自适应能力表现在：将超声波液位计采集的管网关键节点的实测液位值和与水动力模型得出的计算液位值进行比较，若相差较大，则修改相应管段的摩阻系统来修正水动力计算模型，从而使得管网监测方法具备自适应能力。当监测环境发生变化时，如随着时间推移，管道内壁的粗糙度发生变化时，本监测方法能够适应环境变化调整计算模型的参数，保证监测数据的准确性。
具体地，可以设定一个实测液位值与计算液位值之间的方差阈值，若比较得到的方差值大于设定的方差阈值，则修正该管段以及雨水管网空间拓扑树与之相关的上游和下游管段的管道摩阻系数。通过摩阻系数的改变，得到新的摩阻坡度值，进而修正整个雨水水动力模型计算程序。修正后若新计算出的方差值小于方差阈值，则不再进行参数修正。若修正后差异仍然较大，则需要进一步修改相应的模型参数，直至方差值小于设定的方差域值为止。因此本发明的监测方法具有自适应能力，能够提高雨水管网监测的精度和智能化水平。
表1给出了雨水水动力模型参数设置的一些示例。
表1
相应地，本发明还提供了一种自适应雨水管网监测系统，如图2所示，该系统包括：
多个液位计，分别设置在雨水管网的关键节点处，用于采集所述关键节点处的实测液位值；
雨量计，用于采集降雨量；
雨水水动力模型分析模块，用于将所述液位计采集到的实测液位值以及所述雨量计采集到的降雨量输入雨水水动力模型，得出所述关键节点处的计算液位值，并将所述实测液位值与所述计算液位值进行比较，当所述实测液位值与所述计算液位值不一致时，修正所述雨水水动力模型中的参数，直至所述实测液位值与所述计算液位值相一致为止。
优选地，该系统还包括基于地理信息系统的三维展示平台，所述三维展示平台用于展示采用修正后的雨水水动力模型得出的所述雨水管网中任意节点的液位值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、现有雨水管网监测只能对某些关键节点的雨水管段液位进行监测，本发明引入水动力模型能够对整个雨水管网任意管段的液位情况进行监测，能够实时监测整个雨水管网的情况。
2、本监测方法将实时采集的实测液位值与模型程序得出的计算液位值相结合，进行比较并不断修正模型参数，具有自适应的能力，而不仅仅依据模型的计算结果，提高了雨水管网的监测精度。
3、当前很多雨水水动力模型的参数无法根据实际情况进行调整，雨水管线随着使用时间的推移，管道的漫流粗糙系数、摩阻系数等参数都会发生变化，本发明结合超声波液位计进行参数修正，使得该监测方法更适用于实际情况。
4、本发明结合雨量计和依据地理高程数据以及管网分布情况布设的液位计，可以获取降雨信息和管网关键点的实际液位信息，并利用水动力模型计算出的雨水管网运行情况，能够测试出容易溢水的区域及管线位置。根据历史监测数据，通过修改或增加液位计和雨量计，对易出现溢水的位置进行液位监测，从而有效避免了单纯依靠液位计监测管线液位值进行监测的盲目性，提高了液位计和雨量计的布设科学性，从而更加有效的监测雨水管网的情况。
下面结合一个具体的实施例进行详细描述。
本实施例为某城市的某个工业区的雨水管网，区域面积为4.6km2。包含管段数为1217，共有1181个附属物(维修井、阀门等)节点，469个特征管点(转折点、交叉穿越点等)。布设的液位计为9台，其中8台均匀布设在雨水管线上、有1台布设在出水口处的河道上。布设了1台雨量计，布设于区域中心位置的高层大楼楼顶处。
统计了以往19年的区域降雨情况，结合当地的暴雨强度公式，建立该区域的降雨强度公式。并且依据该区域的土壤入渗速率和地面硬化情况，建立产流模型公式。依据该区域地面的高程信息和地面粗糙度等情况，建立地表汇流公式。将工业区划分为223个集水区，设定汇水点，并且设定管道材质、管径、各管段底坡度、管段初始摩阻坡度等参数，获得雨水管道输移公式。通过以上建立的降雨强度公式、产流模型公式、地表汇流公式和雨水管道输移公式，最终确定水动力模型程序的各个参数和权值。再利用雨水管线液位实测值与计算值之间的差异来修正模型参数，使监测方法更适用于实际情况。
表2是该区域遭遇10年一遇的暴雨时所监测到的雨水管网溢水点情况。
表2
节点编号 溢水时长(hr) 溢流量(1000m<sup>3</sup>)
GX_YSD_4001_YGL_Z14129PYS56 1.68 0.474
GX_YSD_4002_JBJ_Z14134KYS18 1.22 0.42
GX_YSD_4001_FQJ_Z14128KYS20 1.93 0.413
GX_YSD_4001_YGL_Z14129PYS54 1.67 0.299
GX_YSD_4001_YWL_Z14129PYS36 1.93 0.283
GX_YSD_4001_YWL_Z14130PYS24 1.58 0.251
GX_YSD_4001_YGL_Z14129PYS46 1.39 0.231
GX_YSD_4001_JBJ_Z14134KYS7 1.16 0.219
GX_YSD_4001_TEDL_Z14131PYS211 1.39 0.158
GX_YSD_4001_YGL_Z14129PYS43 0.51 0.157
基于该工业区雨水管网的三维GIS平台，可以获得溢水点和液位超出警戒值的雨水管段，并以高亮显示给监测人员。通过三维GIS系统能够直观、方便地对雨水管网监测进行展示，对于管网溢水点和溢水区域进行提示，从而方便派遣人员前往现场进行雨水的疏导和处置。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种自适应雨水管网监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用液位计采集雨水管网的关键节点处的实测液位值，并利用雨量计采集降雨量；
将所述液位计采集到的实测液位值以及所述雨量计采集到的降雨量输入雨水水动力模型，得出所述关键节点处的计算液位值，其中，所述雨水水动力模型根据降雨强度公式、产流模型公式、汇流公式和雨水管道输移公式进行建立；
将所述实测液位值与所述计算液位值进行比较，当所述实测液位值与所述计算液位值不一致时，修正所述雨水水动力模型中的参数，直至所述实测液位值与所述计算液位值相一致为止；
采用修正后的雨水水动力模型得出所述雨水管网中任意节点的液位值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关键节点包括：所述雨水管网中的各个排水分支、管线交叉的位置、出水口位置、明渠以及河流处，所述雨量计布设于所述雨水管网的中间区域或者楼顶处。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
利用基于地理信息系统的三维展示平台对采用修正后的雨水水动力模型得出的所述雨水管网中任意节点的液位值进行展示。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述降雨强度公式通过以下步骤进行建立：
统计待监测的雨水管网所在区域的历史降雨资料，其中雨样的选取采用年超大值法；
采用指数分布法统计该区域的降雨频率分布曲线；
根据所述历史降雨资料和所述降雨频率分布曲线得出该区域各个季节的降雨强度公式。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产流模型公式用于计算产流量R，R＝P-S-F，其中，P为理论降雨量，S为初损量，F为入渗量；
理论降雨量P通过所述雨量计采集得到的降雨量结合所述降雨强度公式得出；
初损量S通过以下公式进行计算：
S＝Sz+Sj+Sw
其中，Sz为相应季节该区域的雨水蒸发量，Sj为植物截留损失量，Sw为地表填洼损失量；
入渗量F根据土壤饱和导水率、有效土壤吸力、初始入渗率和稳定入渗率来确定。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述汇流公式用于确定地表净流量，所述地表净流量通过以下两个公式联立得到：
其中，V为地表集水量，h为水深，t为时间，A为地表面积，i为净雨强度，Q为流量，W为流域宽度，n为地表粗糙系数，hp为地面蓄水深，S0为流域坡度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述雨水管道输移公式包括以下两个公式：
其中，Q为流量，As为过水断面面积，v为流速，h为水深，t为时间，x为距离，Sf为摩阻坡度，S0为流域坡度，qt为单位长度旁侧入流量，g为重力加速度；
当所述实测液位值与所述计算液位值不一致时，通过修改摩阻坡度Sf来修正所述雨水水动力模型，直至所述实测液位值与所述计算液位值相一致为止。
8.一种执行如权利要求1所述的方法的自适应雨水管网监测系统，其特征在于，包括：
多个液位计，分别设置在雨水管网的关键节点处，用于采集所述关键节点处的实测液位值；
雨量计，用于采集降雨量；
雨水水动力模型分析模块，用于将所述液位计采集到的实测液位值以及所述雨量计采集到的降雨量输入雨水水动力模型，得出所述关键节点处的计算液位值，并将所述实测液位值与所述计算液位值进行比较，当所述实测液位值与所述计算液位值不一致时，修正所述雨水水动力模型中的参数，直至所述实测液位值与所述计算液位值相一致为止。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，该系统还包括基于地理信息系统的三维展示平台，所述三维展示平台用于展示采用修正后的雨水水动力模型得出的所述雨水管网中任意节点的液位值。
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